CN103682418B - 一种综合性能优异的锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

一种综合性能优异的锂离子电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种综合性能优异的锂离子电池及其制备方法，本发明将正、负极片包含一种或多种不同电极，包括活性物质不同，同时根据极片的活性物质对导电剂或粘结剂的规格、种类、成分进行搭配，同时调整电极的涂覆量，使本发明提供的锂离子电池综合了各种电极的材料、配方及制作工艺等的优势，综合性能优异、可满足用户对电池的多方面性能需求；另外通过本发明提供的叠层或卷绕方式能够将多种不同的极片组合成为极组，其制备方法简单，工艺可操作性强，适用于大规模的生产应用。

Description

一种综合性能优异的锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及技术领域，特别是涉及一种综合性能优异的锂离子电池及其制备方法。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、质量轻、安全性能好等其他储能电池不可比拟的优势，已经成功应用于各种电子产品、通讯设备、自动化仪器仪表和各种电动工具中，在电动自行车、电动汽车上也得到了广泛的应用，对于航天、航空、野战等军事领域也极具诱惑力。
锂离子电池的性能受电极材料、配方和制作工艺的影响极大，例如目前最成熟的钴酸锂正极材料，其不同的形貌、粒径、掺杂元素种类和掺杂量决定了电池不同的性能特征，包括充电范围、能量密度、倍率性能、安全性能等。同样，负极材料的差异对电池性能的影响也非常显著。例如由于采用不同原材料和制备工艺得到的碳负极，又分为人造石墨、天然石墨改性材料、中间相碳微球、硬碳、软碳等等，制得的电池产品也性能各异。
由此，目前很难获得一款综合性能优异的电池。即便是在已成熟应用的领域，锂离子电池性能也还是略显不足，无法体现出绝对的优势以取代其他电池体系；而在一些特殊应用领域目前技术的锂离子电池则根本无法胜任。
因此，目前迫切需要寻找一种方法，可以综合各种电极材料、体系的优势，。研发出一种综合性能优异的锂离子电池。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种综合性能优异的锂离子电池及其制备方法。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：一种综合性能优异的锂离子电池，其特征在于包括由正极片和负极片组成的极组、隔膜、非水电解液、极耳和外壳；所述正极片包括正极活性物质、导电剂、粘结剂和集流体；所述负极片包括负极活性物质、导电剂、粘结剂和集流体；所述负极片分为由两种不同的负极活性物质制成的负极片A和负极片B；所述正极片与所述负极片A依次叠层或卷绕组成为极组单元A，所述正极片与所述负极片B依次叠层或卷绕组成为极组单元B；所述极组由所述极组单元A与所述极组单元B并联叠加组成。
优选的，所述负极片与所述正极片的容量比为1～1.2：1，其目的为了同时达到对电池容量、尺寸、电性能、安全性能等多方面的指标要求，以正极限制容量，负极过量为设计原则。
所述负极活性物质为人造石墨、天然石墨、硬碳、钛酸锂、金属硅、氧化硅的一种或多种的混合物。
优选的，所述负极片A的负极活性物质为质量比为87：8的人造石墨和金属硅的混合物
优选的，所述负极片B的负极活性物质为硬碳。
上述一种综合性能优异的锂离子电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）制作正极片；
（2）使用两种不同的负极活性物质分别制作成负极片A和负极片B；
（3）将正极片与负极片A依次叠层或卷绕组成为极组单元A；将正极片与负极片B依次叠层或卷绕组成为极组单元B；
（4）将步骤（3）制成的极组单元A和极组单元B并联叠加成为极组；
（5）将步骤（4）制成的极组进行极耳焊接，并置于电池外壳中，按常规封装工艺封装，液入电解液后封口，从而制成锂离子电池。
所述步骤（2）中的负极活性物质为人造石墨、天然石墨、硬碳、钛酸锂、金属硅、氧化硅的一种或多种的混合物。
优选的，所述步骤（2）中的负极片A包括负极活性物质、导电剂、粘结剂和集流体；所述负极片A的负极活性物质为质量比为87：8的人造石墨和金属硅的混合物，所述导电剂为导电碳黑，所述粘结剂为重量比为1：2的羧甲基纤维素（CMC）和丁苯胶乳（SBR）；所述人造石墨、金属硅、导电碳黑、羧甲基纤维素（CMC）和丁苯胶乳（SBR）的重量比为87：8：2：1：2；所述集流体为10um厚的铜箔。
所述步骤（2）中的负极片B包括负极活性物质、导电剂、粘结剂和集流体；所述负极片B的负极活性物质为硬碳；所述粘接剂为聚偏氟乙烯（PVDF），硬碳与聚偏氟乙烯（PVDF）的重量比为97：3；所述集流体为10um厚的铜箔。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：将正、负极片包含一种或多种不同电极，包括活性物质不同，同时根据极片的活性物质对导电剂或粘结剂的规格、种类、成分进行搭配，同时调整电极的涂覆量，使本发明提供的锂离子电池综合了各种电极的材料、配方及制作工艺等的优势，综合性能优异、可满足用户对电池的多方面性能需求；另外通过本发明提供的叠层或卷绕方式能够将多种不同的极片组合成为极组，其制备方法简单，工艺可操作性强，适用于大规模的生产应用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种锂离子电池的制作过程示意图；
图2为1#、2#、3#电池进行20安培（简称A）恒流放电曲线；
图3为1#、2#、3#电池在-30℃条件下搁置4小时后，再采用以下放电制式进行放电：22.5A恒流放电30秒，再以4A恒流放电直至电压降低至2.0V得到的曲线。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所涉一种综合性能优异的锂离子电池，包括由正极片和负极片组成的极组、隔膜、非水电解液、极耳和外壳。
所述正极片包括正极活性物质、导电剂、粘结剂和集流体；所述正极活性物质包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍酸锂、钴镍锰三元材料等可用作锂离子电池正极活性物质的材料，以及其中两种或多种材料的混合体系。
所述负极片包括负极活性物质、导电剂、粘结剂和集流体；所述负极活性物质为人造石墨、天然石墨、硬碳、钛酸锂、金属硅、氧化硅的一种或多种的混合物。所述负极片分为由两种不同的负极活性物质制成的负极片A和负极片B；所述正极片与所述负极片A依次叠层或卷绕组成为极组单元A，所述正极片与所述负极片B依次叠层或卷绕组成为极组单元B；所述极组由所述极组单元A与所述极组单元B并联叠加组成。
上述叠层操作是指将不同体系的正极片或负极片进行区分编号，叠层时根据设计要求叠加相应数量的正极和负极，以达到预设的电池的容量，其尺寸及性能满足客户要求。
上述卷绕操作是将设计匹配的正、负极片用隔膜分隔开，卷绕成一个极组单元；将不同体系卷绕而成的极组单元采用焊接或铆接等方法并联形成一个最终的极组。
优选的，所述负极片A的负极活性物质为质量比为87：8的人造石墨和金属硅的混合物，两者的特点均为高比容量。
优选的，所述负极片B的负极活性物质为硬碳，其特点为硬碳具有优异的大倍率放电性能和低温性能。
所述粘结剂包括聚偏氟乙烯（PVDF）和丁苯胶乳（SBR）、聚氧化乙烯（PEO）等等可用于锂离子电池电极粘结剂的材料。
所述外壳包括铝壳、钢壳和铝塑封装膜。
所述电解液包括液态、凝胶态电解质和全固态电解质。
从整体上来说，所述负极片与所述正极片的容量比为1～1.2：1，其目的为了同时达到对电池容量、尺寸、电性能、安全性能等多方面的指标要求，以正极限制容量，负极过量为设计原则。
上述一种综合性能优异的锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：
（1）制作正极片；
1）将正极活性物质与导电剂充分混合，加入溶剂，如N-甲基吡咯烷酮（NMP）；加入粘结剂，如聚偏氟乙烯（PVDF），将其充分搅拌得到正极浆料；
2）采用涂布机按一定涂覆量（面密度）涂覆得到正极片；
3）采用碾压机将正极片碾压到一定厚度或压实密度；
4）将碾压后极片剪切、冲切、裁切成规定尺寸的小片；
（2）使用两种不同的负极活性物质分别制作成负极片A和负极片B，负极片的制作方法为：
1）将负极活性物质与导电剂充分混合，加入溶剂，如N-甲基吡咯烷酮（NMP）或水，加入粘结剂，如聚偏氟乙烯（PVDF）或丁苯胶乳（SBR），将其充分搅拌得到负极浆料；
2）采用涂布机按一定涂覆量（面密度）涂覆得到负极片；
3）采用碾压机将负极片碾压到一定厚度或压实密度；
4）将碾压后极片剪切、冲切、裁切成规定尺寸的小片。
（3）将正极片与负极片A依次叠层或卷绕组成为极组单元A；将正极片与负极片B依次叠层或卷绕组成为极组单元B；
1）叠层操作是指将不同体系的正极片或负极片进行区分编号，叠层时根据设计要求叠加相应数量的正极和负极，以达到预设的电池的容量，其尺寸及性能满足客户要求；
2）卷绕操作是将设计匹配的正、负极片用隔膜分隔开，卷绕成一个极组单元；
（4）将步骤（3）制成的极组单元A和极组单元B并联叠加成为极组；
（5将步骤（4）制成的极组进行极耳焊接，并置于电池外壳中，按常规封装工艺封装，液入电解液后封口，从而制成锂离子电池。
所述步骤（2）中的负极活性物质为人造石墨、天然石墨、硬碳、钛酸锂、金属硅、氧化硅的一种或多种的混合物。
优选的，所述步骤（2）中的负极片A包括负极活性物质、导电剂、粘结剂和集流体；所述负极片A的负极活性物质为质量比为87：8的人造石墨和金属硅的混合物，所述导电剂为导电碳黑，所述粘结剂为重量比为1：2的羧甲基纤维素（CMC）和丁苯胶乳（SBR）；所述人造石墨、金属硅、导电碳黑、羧甲基纤维素（CMC）和丁苯胶乳（SBR）的重量比为87：8：2：1：2；所述集流体为10um厚的铜箔。
所述步骤（2）中的负极片B包括负极活性物质、导电剂、粘结剂和集流体；所述负极活性物质为硬碳；所述粘接剂为聚偏氟乙烯（PVDF），硬碳与聚偏氟乙烯（PVDF）的重量比为97：3；所述集流体为10um厚的铜箔。
如图1所示为本发明提供的一种锂离子电池的制作过程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例有关的部分。图1中采用叠片式极组结构为例进行说明，其外型为方型，外壳采用铝塑膜进行软包装，包含正极片1和两种不同体系的负极片2-A、2-B，将负极片2-A用隔膜3-A包裹，负极片2-B用隔膜3-B包裹；按设计要求将相应层数正极片1和负极片2-A依次叠层得到极组单元A，按设计要求将相应层数正极片1和负极片2-B依次叠层得到极组单元B，将极组单元A和B并联叠加在一起得到极组4；负极耳箔5、正极耳箔6分别与含热熔胶负极耳7、含热熔胶正极耳8焊接在一起，将焊接极耳7、8的极组4放置于外包装壳9中，经过封装、注液、化成等工序加工得到锂离子电池10。
下面通过具体的实施例来说明本发明的技术方案的优越性。
实施例：
一种综合性能优异的锂离子电池，采用可4.35V高电压充电的钴酸锂材料为正极，正极配方为钴酸锂：导电碳黑：聚偏氟乙烯（PVDF）=95：2：3（重量比），采用15um厚铝箔作为集流体，电极涂覆量为39mg/cm2，碾压密度为4.0cm/cm3，极片剪切尺寸为60mm宽*120mm长，极耳箔尺寸为：12mm宽*12mm长。对正极片进行真空烘干，烘干参数为100℃，12h。
负极采用高比容量的人造石墨和金属硅混合作为活性材料制作电极A，电极配方为C：Si：导电碳黑：羧甲基纤维素（CMC）：丁苯胶乳（SBR）=87：8：2：1：2（重量比），采用10um厚铜箔作为集流体，电极涂覆量为7.5mg/cm2，碾压密度为1.7cm/cm3，极片剪切尺寸为62mm宽*122mm长，极耳箔尺寸为：12mm宽*12mm长。对负极片进行真空烘干，烘干参数为130℃，12h。
采用硬碳为活性材料制作电极B，电极配方为硬碳：聚偏氟乙烯（PVDF）=97：3（重量比），采用10um厚铜箔作为集流体，电极涂覆量为7mg/cm2，碾压密度为1.0cm/cm3，极片剪切尺寸为62mm宽*122mm长，极耳箔尺寸为：12mm宽*12mm长。对负极片进行真空烘干，烘干参数为130℃，12h。
将PP隔膜裁切成130mm宽*128mm长片状，沿130mm方向对折后将负极片居中封入隔膜袋中。将10片正极片与11片负极片A交叉居中叠加，得到极组1#；将10片正极片与11片负极片B交叉居中叠加，得到极组2#。将5片负极片A与5片正极片交叉居中叠加，再将5片正极片与6片负极片B交叉居中叠加，得到极组3#。
采用110um厚的铝塑膜分别对制得的1#、2#、3#极组进行封装，真空烘干后注入同一种电解液，电解配方为六氟磷酸锂（LiPF6）：碳酸乙烯酯（EC）：碳酸甲乙酯（EMC）：丙酸乙酯(EP)：氟代碳酸乙烯酯(FEC)：亚硫酸丙烯酯(PS)：乙腈（AN）=16:30:25:21:5:2:1，注液量为8～8.5g，对电池分别进行真空一次封口，然后再采用0.4安培（简称A）电流充电至4.35V，4.35V恒压充电至电流降低至0.2安培（简称A）时停止充电，静置24小时后，对电池进行真空除气封口。在常温条件下搁置7天后，剔除不良品后，再对1#、2#、3#良品电池分别进行以下测试项目：
（1）以2A充电至4.35V，4.35V恒压充电至电流降低至0.2A时停止充电，以2A放电得到电池容量；
（2）采用精度为0.01g的电子天平进行电池称重；
（3）采用以下制式对电池进行放电：20A恒流放电直至电压降低至2.0V；
（4）将电池在-30℃条件下搁置4小时后，再采用以下放电制式进行放电：22.5A恒流放电30秒，再以4A恒流放电直至电压降低至2.0V。
表1为1#、2#、3#电池的容量、重量及比能量对比数据；
表1
表2为1#、2#、3#电池进行20A恒流放电对比数据；
电池编号 1# 2# 3#
20A放电容量Ah 1.78 3.39 3.44
20A放电电压平台V 3.2 3.63 3.54
表2
表3为1#、2#、3#电池在-30℃条件下搁置4小时后，再采用以下放电制式进行放电：22.5A恒流放电30秒，再以4A恒流放电直至电压降低至2.0V得到的对比数据。
表3
图2为1#、2#、3#电池进行5C恒流放电曲线；
图3为1#、2#、3#电池在-30℃条件下搁置4小时后，再采用以下放电制式进行放电：22.5A恒流放电30秒，再以4A恒流放电直至电压降低至2.0V得到的曲线。
通过以上测试结果可以看出，本发明实施例制备的锂离子电池3#同时采用了高比能量的人造石墨水性体系负极片和功率性能、低温性能优异的硬碳油性体系负极片，相比单纯采用人造石墨和硬碳制得的电池1#和2#，其综合了两种负极材料体系的优势，不仅获得了硬碳材料体系的大倍率性能，且能量密度大大提高，加上低温和功率性能优异的电解液，电池的20安培（约5C倍率）放电性能和低温大倍率脉冲性能都得到了显著的提高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种综合性能优异的锂离子电池，其特征在于：包括由正极片和负极片组成的极组、隔膜、非水电解液、极耳和外壳；所述正极片包括正极活性物质、导电剂、粘结剂和集流体；所述负极片包括负极活性物质、导电剂、粘结剂和集流体；所述负极片分为由两种不同的负极活性物质制成的负极片A和负极片B；所述正极片与所述负极片A依次叠层或卷绕组成为极组单元A，所述正极片与所述负极片B依次叠层或卷绕组成为极组单元B所述极组由所述极组单元A与所述极组单元B并联叠加组成；
所述负极片A包括负极活性物质、导电剂、粘结剂和集流体；所述负极片A的负极活性物质为质量比为87∶8的人造石墨和金属硅的混合物，所述导电剂为导电碳黑，所述粘结剂为重量比为1∶2的羧甲基纤维素(CMC)和丁苯胶乳(SBR)；所述人造石墨、金属硅、导电碳黑、羧甲基纤维素(CMC)和丁苯胶乳(SBR)的重量比为87∶8∶2∶1∶2；所述集流体为10um厚的铜箔；
所述负极片B包括负极活性物质、导电剂、粘结剂和集流体；所述负极片B的负极活性物质为硬碳；所述粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)，硬碳与聚偏氟乙烯(PVDF)的重量比为97∶3；所述集流体为10um厚的铜箔。
2.根据权利要求1所述的一种综合性能优异的锂离子电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)制作正极片；
(2)使用两种不同的负极活性物质分别制作成负极片A和负极片B；
(3)将正极片与负极片A依次叠层或卷绕组成为极组单元A；将正极片与负极片B依次叠层或卷绕组成为极组单元B；
(4)将步骤(3)制成的极组单元A和极组单元B并联叠加成为极组；
(5)将步骤(4)制成的极组进行极耳焊接，并置于电池外壳中，按常规封装工艺封装，液入电解液后封口，从而制成锂离子电池；
所述步骤(2)中的负极片A包括负极活性物质、导电剂、粘结剂和集流体；所述负极片A的负极活性物质为质量比为87∶8的人造石墨和金属硅的混合物，所述导电剂为导电碳黑，所述粘结剂为重量比为1∶2的羧甲基纤维素(CMC)和丁苯胶乳(SBR)；所述人造石墨、金属硅、导电碳黑、羧甲基纤维素(CMC)和丁苯胶乳(SBR)的重量比为87∶8∶2∶1∶2；所述集流体为10um厚的铜箔；
所述步骤(2)中的负极片B包括负极活性物质、导电剂、粘结剂和集流体；所述负极片B的负极活性物质为硬碳；所述粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)，硬碳与聚偏氟乙烯(PVDF)的重量比为97∶3；所述集流体为10um厚的铜箔。
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